JP2002070580A

JP2002070580A - 航空機用燃料供給システム

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Publication number: JP2002070580A
Application number: JP2000256873A
Authority: JP
Inventors: Munehiro Hayashi; 宗浩林; Hidefumi Saito; 英文斎藤
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2000-08-28
Filing date: 2000-08-28
Publication date: 2002-03-08
Anticipated expiration: 2020-08-28
Also published as: JP4457475B2

Abstract

(57)【要約】【課題】飛行・推進用のブレイトンサイクル熱機関及び
機内電力用の燃料電池を搭載した航空機において、重量
増加を招かずに高効率での燃料消費を実現できる燃料供
給システムを提供する。【解決手段】炭化水素燃料の分子構造を変換して得られ
る水素及び残りの炭化水素化合物を、それぞれ燃料電池
及びジェットエンジンに供給することで、機内用電力及
び推力を効率的に得られるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ブレイトンサイク
ル熱機関と燃料電池発電装置とを搭載した航空機用の燃
料供給システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より航空機では、機内で必要とされ
る燃料の供給と、飛行又は推進のために必要とされる燃
料の供給とは、別系統のシステムで行われているのが通
例である。ところで航空機分野では、今まで以上の燃料
の消費低減が求められている。そのため機内用の電力供
給源としては、燃料からのエネルギー変換効率の高い燃
料電池が導入されることが予想される。また、機体の制
御などの装置についても電動式の装置の採用が並行的に
進んでおり、近年の電力制御素子技術の発達に伴って、
燃料電池を採用すれば消費エネルギー削減効果も得られ
ると考えられる。

【０００３】燃料電池を電源ユニットとして採用する場
合、その燃料には次のような制限がある。すなわちその
制限とは、実用面では最も優れているＰＥＦＣ（固体高
分子燃料電池）の場合、電解質であるイオン交換膜内を
移動するのは水素イオンであるため、発電に関与する燃
料は水素のみとなること、また、電解質に塗布された白
金触媒は一酸化炭素による被毒作用によって性能劣化が
顕著となるので、燃料ガスには一酸化炭素を含まないこ
と等である。そこで、自動車搭載用の燃料電池では、燃
料分子に水分子を加え分解する反応の燃料改質器を採用
する方式が検討されている。

【０００４】しかしながら航空機の場合は、燃料電池を
導入するに当たって次の要素を考慮しておく必要があ
る。すなわち、航空機では自動車とは異なり、発進・停
止を繰返す必要がないこと、推力として空気噴射を使用
する必要性がある（回転翼機でもロータ部で噴流を利用
する場合が多い）こと、高々度の低圧・低温空気を使用
する必要性があること等の条件が課される。

【０００５】さらに、航空機のジェットエンジンとして
使用されているブレイトンサイクル熱機関には、自動車
用のように走行エネルギーを頻繁に回収する構造が必要
がなく、直接噴流を生成し、低温空気は熱サイクルの温
度比を高め効率を向上させるなどの利点がある。このた
め、航空機の飛行・推進用としては、今後もブレイトン
サイクル熱機関が採用されると考えられ、飛行・推進用
の電力供給及び機内の電力供給を含む全てのエネルギー
が燃料電池で賄われるケースは希であると考えられる。
従って、今後も航空機の燃料供給において考え得る最適
な形態は、飛行・推進用のエンジンにはブレイトンサイ
クル熱機関を利用したガスタービンを採用し、それ以外
の飛行制御等は燃料電池からの電力で賄うという形態で
あって、それぞれのエネルギー効率を極限まで高めるこ
とが有用となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような事情から、
機内電源のために燃料電池を導入した場合、その燃料電
池と推進用のエンジンとの燃料の整合性を如何に確保す
るかという問題が生じる。それを解決する方法として
は、全ての燃料に水素を使うことが考えられるが、水素
を機体に搭載する場合には、水素を貯蔵する高圧ボンベ
には圧力の危険性とボンベ質量が大きいこと、水素吸蔵
合金はそれ自体が重いこと、液化水素は断熱容器が重く
大きくなること等の問題が避けられない。

【０００７】そこで水素以外の燃料を使用し、その燃料
を改質して水素を得るという方法が現実的な解決手段と
して考えられる。ところが、単に燃料改質器による燃料
供給という方法を採用しても、次のような問題が依然と
して残る。すなわち、まず、そもそも燃料改質とは、燃
料の炭素が酸化するエネルギーを利用して水素を生成す
るというプロセスであるが、改質のためにはエネルギー
が消費されることになり、結果として燃料が消費されて
しまう。また、改質に適した燃料としては、メタノール
が有力候補として考えられているが、メタノールは燃焼
の際には発熱量が低く（メタノールの低位発熱量＝１
９．９ＭＪ／Ｋｇ、これは一般的なＪＥＴ−Ａ燃料＝４
２．８ＭＪ／Ｋｇの半分以下）、ジェットエンジン用と
しては適していない。このため燃料電池用にメタノール
を搭載しようとすると、ジェット燃料とは別に搭載する
必要が生じ、運行時の消費バランスが悪ければどちらか
の燃料が大幅に余ってしまい、航空機にとって無駄な負
担を強いることになる。

【０００８】以上のような問題に鑑みて、本発明は、航
空機用の燃料供給システムにおいてブレイトンサイクル
熱機関及び燃料電池発電装置を搭載することを前提とし
て、航空機にとって重量的な負担とならず、しかも良好
な燃料消費バランスで飛行・推進用の電力供給とその他
の機内用の電力供給とを好適に両立できるシステムを提
供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明の航空
機用燃料供給システムは、上述の前提の下に、ブレイト
ンサイクル熱機関及び燃料電池発電装置に供給する燃料
として炭化水素燃料を使用し、その炭化水素燃料の分子
構造を変更することで水素と残りの炭化水素化合物とに
分離生成する機能と、分離生成されて生じた水素を前記
燃料電池に供給するとともに炭化水素化合物を前記ブレ
イトンサイクル熱機関に供給する機能とを備えているこ
とを特徴としている。なお、航空機には回転翼機も含ま
れる。

【００１０】このため、燃料電池（特にＰＥＦＣ）を機
内電源として採用する場合の燃料として、炭化水素燃料
から適宜の燃料改質器を用いて分離生成された水素を確
保することができるだけでなく、分離生成によって得ら
れた炭化水素化合物を従来のジェット燃料と全く同じよ
うにしてブレイトンサイクル熱機関（ジェットエンジ
ン）の燃焼器で燃焼させることができ、多大な重量増加
を招くことなく機内電源と飛行・推進用電源の両方を有
効に確保することができる。なお、ジェットエンジンで
は、生成した炭化水素化合物を他の燃料（ジェット燃
料）と混合して使用するとよい。このようにすること
で、ジェット燃料の搭載量を好適に減らし、重量による
負荷を低減することが可能となる。

【００１１】特に、ジェット燃料には、ベンゼン等の芳
香族成分を容積比にして最大２２〜２５％含ませること
が許容されているため、炭化水素燃料としてシクロヘキ
サン等のナフテン系炭化水素を採用し、分離生成後の炭
化水素化合物をベンゼン等の芳香族炭化水素とすること
が望ましい。

【００１２】その他に好ましい炭化水素燃料としては、
ブタン等のパラフィン系炭化水素が挙げられ、その場合
の分離生成後の炭化水素化合物をブチレン等のオレフィ
ン系炭化水素又はベンゼン等の芳香族炭化水素とするこ
とがよい。

【００１３】さらにその他の好ましい炭化水素燃料には
ペンタン等のパラフィン系炭化水素が挙げられ、分離生
成後の炭化水素化合物をシクロペンタン等のナフテン系
炭化水素とすれば有用である。

【００１４】なお本発明では、一旦分離生成して生じた
炭化水素化合物を再度適宜の改質器等を通じて水素と残
りの炭化水素化合物に分離生成し、生じた水素を燃料電
池に供給し、炭化水素化合物をジェットエンジンに供給
することも可能であって、このようにすれば、より多く
の水素を機内電源用として得ることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を、図
１を参照して説明する。

【００１６】図1は本実施形態における航空機（１）に
おける燃料供給システムの概観図である。航空機（１）
には機内用発電装置として燃料電池（２）と、飛行・推
進用のブレイストンサイクル熱機関によるジェットエン
ジン（８）とを搭載している。燃料電池（２）として
は、ＰＥＦＣ（固体高分子燃料電池）を採用している。
これは、近年の民間航空機における電子機器の搭載の増
加や、電動アクチュエータの性能向上に伴なう高効率の
電気式機体制御システムの導入によって、油圧等の動力
から電力への需要シフトによる電力需要が大幅増加に対
応するためである。これによって燃料消費が押さえら
れ、航続距離が増大し、運動性能向上に役立つことにな
る。

【００１７】また、本システム（１）は、前記燃料電池
（２）及びジェットエンジン（８）に燃料を供給するた
めに、二種類の燃料タンク（３）及び（４）を備えてい
る。一方の燃料タンク（３）には、炭化水素燃料として
ナフテン系炭化水素であるシクロヘキサンａを収容して
おり、他方の燃料タンク（４）には、従来より使用され
ている飛行・推進用のジェット燃料ｄを収容している。
燃料タンク（３）は経路を通じて改質器（５）に連通さ
れている。この改質器（５）には分離器（６）を付設し
ており、分離器（６）からは燃料電池（２）へ通じる経
路とジェットエンジン（８）へ通じる経路の二つの経路
が延びている。分離器（６）からジェットエンジン
（８）へ通じる経路上には、混合器（７）が配設されて
おり、この混合機（７）には燃料タンク（４）から延び
る経路が通じている。

【００１８】次に、本システム（１）による燃料供給に
ついて具体的に説明する。

【００１９】まず、燃料タンク（３）から改質器（５）
へと送られたシクロヘキサンａは、改質器（５）内の白
金等の触媒作用により次式１に示すように反応する。

【００２０】

【式１】すなわち、１分子のシクロヘキサンａから３分子の水素
ｂと１分子のベンゼンｃとが分離生成される。換言すれ
ば、改質器（５）内でシクロヘキサンａは１分子当たり
につき３分子の水素ｂを放出し、自らは１分子のベンゼ
ンｃに分子構造が変化することになる。生成した水素ｂ
及びベンゼンｃは共に次の分離器（６）へと送られて、
水素ｂとベンゼンｃそれぞれに分離される。水素ｃは、
分離器（６）から燃料電池（２）へと供給され、図示し
ない別途の手段によって燃料電池（２）に供給された空
気中の酸素と混合されて燃焼し、航空機（１）内の電力
を発生させる。一方、ベンゼンｃは、分離器（６）から
混合器（７）へと供給され、ここで燃料タンク（４）か
ら供給されたジェット燃料ｄと混合されたうえでジェッ
トエンジン（８）に供給され燃焼することで、航空機
（１）の推力を発生させる。なお、従来よりジェット燃
料ｄに対してベンゼンｃに代表される芳香族化合物を容
積比で２２〜２５％含有させることが許容されているた
め、生成されたベンゼンｃを前記範囲内でジェット燃料
ｄと混合するように混合機（７）で調整すれば、ジェッ
トエンジン（８）での燃料の燃焼に問題は生じない。

【００２１】以上のように本実施例によれば、炭化水素
燃料であるシクロヘキサンａを分離生成することで発生
する水素ｂ及びベンゼンｃを、それぞれ燃料電池（２）
及びジェットエンジン（８）に供給するようにしている
ため、航空機（１）にジェットエンジン（８）と燃料電
池（２）の両方を搭載することを前提にしつつも、ジェ
ットエンジン（８）用の燃料と燃料電池（２）用の燃料
とを全く別個に搭載する必要をなくし、搭載燃料の増加
を招くことなく、飛行・推進のための推力及び機内用の
電力を効率的に得ることができる。特にジェットエンジ
ン（８）には分離生成したベンゼンｃとジェット燃料ｄ
とを混合して用いるため、ジェット燃料ｄの搭載量を削
減でき、航空機（１）に対する重量による負荷を好適に
軽減することができる。

【００２２】なお、炭化水素燃料としては前記シクロヘ
キサン以外のナフテン系炭化水素を使用することがで
き、分離生成後の炭化水素化合物は元の炭化水素燃料に
対応して生成するものを使用することができる。例え
ば、炭化水素燃料としてメチルシクロヘキサンを使用し
た場合には、次式２に示すように、

【００２３】

【式２】Ｃ₆Ｈ₁₃−ＣＨ₃ → ３Ｈ₂＋Ｃ₆Ｈ₁₁−ＣＨ₃ のように反応して、３分子の水素及び１分子のトルエン
が発生するので、水素を燃料電池に供給し、トルエンを
ジェット燃料に供給することができる。その他にも炭化
水素燃料には、直鎖状のパラフィン系炭化水素も使用す
ることができる。例えばパラフィン系炭化水素燃料から
水素と二重結合を有するオレフィン系炭化水素とを得る
場合、炭化水素燃料をブタンとすれば、次式３に示すよ
うに、

【００２４】

【式３】Ｃ₄Ｈ₁₀ → Ｈ₂＋Ｃ₄Ｈ₈ １分子の水素と１分子のブチレンが得られる。また、パ
ラフィン系炭化水素燃料から水素とナフテン系炭化水素
化合物とを得る場合、炭化水素燃料をペンタンとすれ
ば、次式４に示すように、

【００２５】

【式４】Ｃ₅Ｈ₁₂ → Ｈ₂＋Ｃ₅Ｈ₁₀ １分子の水素と１分子のシクロペンタンが得られる。さ
らに、炭化水素燃料としてノルマルヘプタンを用いた場
合は、次式５に示すように、

【００２６】

【式５】Ｃ₇Ｈ₁₆ → Ｈ₂＋＋Ｃ₆Ｈ₁₁−ＣＨ₃ １分子の水素と１分子のメチルシクロヘキサンが得られ
る。さらにまた、式５で生成したシクロヘキサンを分離
器から再び改質器へと戻して前記式２のように炭化水素
燃料として使用することもでき、その場合は１分子のノ
ルマルヘプタンから、最終的に４分子の水素と１分子の
メチルシクロヘキサンとが得られ、水素の生成量を増加
することができる。その他にも、１種類の炭化水素燃料
から２種類以上の炭化水素化合物が生成されるようにし
ても構わない。

【００２７】さらに、炭化水素燃料用及びジェット燃料
用のタンクを一体構造とし、運用条件によって各燃料の
抗体割合を変更し得るように、タンク間に移動隔壁を設
けたり、一方のタンクをゴム等の柔軟な素材の容器とす
るなどの工夫をすることもできる。

【００２８】さらにまた、良質のゼオライト等の分子吸
着構造物であって、シクロヘキサン分子など炭化水素燃
料を選択的に抽出できる材料が安価に入手できるようで
あれば、ジェット燃料から当該炭化水素燃料を選択抽出
することで本システムを運用するようにもできる。

【００２９】その他、各部の具体的構成は、上記実施形
態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない
範囲で種々変形が可能である。

【００３０】

【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実
施され、以下に記載されるような効果を奏する。

【００３１】すなわち、本発明によれば、航空機におい
て、飛行・推進用のブレイトンサイクル熱機関を利用し
たジェットエンジンと、機内電力用の燃料電池の両方を
搭載しているにも拘わらず、炭化水素燃料を使用しこれ
を分離生成することで得られる炭化水素化合物をジェッ
トエンジンに供給し、水素を燃料電池に供給している。
このため、ジェットエンジンには他の補機類を伴わずに
飛行・推進のみに特化した性能を発揮させることができ
る一方、燃料電池ではそれ自体が燃料のエネルギーを電
気エネルギーに変換して燃料消費率の低減に寄与するこ
とができるため、搭載燃料の重量増加を招かずに、高効
率での燃料消費を実現することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態におけるシステムの概観
図。

【符号の説明】

１…航空機２…燃料電池８…ブレイトンサイクル熱機関（ジェットエンジン）ａ…炭化水素燃料（シクロヘキサン）ｂ…水素ｃ…炭化水素化合物（ベンゼン）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｍ 8/10 Ｈ０１Ｍ 8/10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】飛行又は推進用のブレイトンサイクル熱機
関と電力供給用の燃料電池発電装置とを搭載した航空機
において、前記ブレイトンサイクル熱機関及び燃料電池
発電装置に供給する燃料として炭化水素燃料を使用し、
その炭化水素燃料の分子構造を変更することで水素と残
りの炭化水素化合物とに分離生成する機能と、分離生成
されて生じた水素を前記燃料電池に供給するとともに炭
化水素化合物を前記ブレイトンサイクル熱機関に供給す
る機能とを備えていることを特徴とする航空機用燃料供
給システム。
【請求項２】炭化水素燃料がシクロヘキサン等のナフテ
ン系炭化水素であって、分離生成後の炭化水素化合物が
ベンゼン等の芳香族炭化水素である請求項１記載の航空
機用燃料供給システム。
【請求項３】炭化水素燃料がブタン等のパラフィン系炭
化水素であって、分離生成後の炭化水素化合物がブチレ
ン等のオレフィン系炭化水素又はベンゼン等の芳香族炭
化水素である請求項１記載の航空機用燃料供給システ
ム。
【請求項４】炭化水素燃料がペンタン等のパラフィン系
炭化水素であって、分離生成後の炭化水素化合物がシク
ロペンタン等のナフテン系炭化水素である請求項１記載
の航空機用燃料供給システム。